基于PLC的污泥消化池温度模糊PID控制系统设计与仿真

冯 谋

（石家庄市桥东污水治理工程筹建处，河北 石家庄050026）

0 引言

污泥厌氧消化是目前国际上最为常用的污泥稳定方法，其中以中温消化最为常用。相对于污泥好氧稳定过程，污泥厌氧消化可以达到很好的稳定效果，能最大限度地降解污泥中的有机物。这种工艺能耗低，污泥体积一般可减少1／3～1／2，而且在工艺过程中还可以产生高能量的沼气。甲烷菌对温度波动非常敏感，一般应将消化污泥的温度波动控制在±1℃范围内。试验结果表明：厌氧消化系统稳定运行期间温度控制在（35±1）℃，初沉污泥的消化效果较好［1］。

温度对污泥厌氧消化非常重要。然而消化池一般体积较大，温度控制滞后比较严重，应用常规PID温度控制系统，控制精度和鲁棒性都不太理想。因此，本文将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性、鲁棒性融为一体，来实现污泥温度自动非线性自适应调节的控制要求。

1 污泥中温厌氧消化温度控制方案

在污泥中温厌氧消化生产过程中，温度起着至关重要的作用，直接影响着菌落的生长、沼气的产量、污泥体积的减少量和污泥性质的稳定性。本系统采用消化池外热交换器预热方式加热，温度波动即加热的效果与热交换器温度以及进泥温度、进泥次数、进泥历时和每次的进泥量有关。进泥次数、进泥历时和每次的进泥量由实验给定，所以消化池温度就与进泥温度和热交换器温度有关，热交换器温度通过控制热水循环泵频率改变。本系统通过消化池内温度与设定值的比较以及进泥温度与设定值的比较，经过模糊PID运算改变热水循环泵频率，来控制消化池内温度。

温度控制系统原理如图1所示，该系统由西门子PLC（S7－200，CPU224）控制模块、EM235拓展模块、温度传感器、LCD触摸显示屏等设备组成。温度传感器把检测到的进泥温度和池内温度通过EM235模块传送至PLC，PLC负责把检测到的数值与设定值进行模糊PID运算，然后输出结果并通过EM235将其变成电压信号传递给变频器，从而实现对消化池温度的控制。

2 消化池温度模糊PID控制器

消化池温度模糊PID控制器是利用模糊控制算法自动修正常规PID控制器中的比例、积分和微分（kp、ki、kd）3个参数，达到自动优化控制的目的。

2.1 模糊PID控制器原理

图1 消化池温度闭环控制系统

消化池温度模糊PID控制器以温度的偏差e和温度的变化率ec作为控制器的输入，经过控制器的模糊处理，自动计算出3个参数的实时修正量Δkp、Δki和Δkd，实时自动优化PID控制器中kp、ki和kd这3个参数，实现污泥温度自动非线性自适应调节的控制要求。e和ec的表达式为：

式中，cn（t）为消化池温度设定值；ci（t）为消化池温度实际值。

2.2 PID参数整定原则

根据系统在受控过程中对应不同的e和ec将PID参数的整定原则归纳如下［2］：

（1）当｜e｜较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的kp与较小的Td。同时，为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ti＝0。

（2）当｜e｜处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，kp应取得小些。在这种情况下，Td的取值对系统响应的影响较大，Ti的取值要适当。

（3）当｜e｜较小时，为使系统具有较好的稳定性能，kp与Ti均应取得大些。同时，为避免系统出现振荡，Td值根据｜ec｜值选择，｜ec｜值较大时，Td取较小值。通常Td为中等大小。

2.3 模糊PID控制器的设计

根据消化池温度控制参数自整定要求，该模糊控制器是以e和ec为输入变量，以Δkp、Δki和Δkd为输出变量。把消化池温度偏差e按照数值大小分为大、中、小、04个等级，可得模糊集｛负大，负中，负小，0，正小，正中，正大｝，记为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，其模糊论域为［－3，－2，－1，0，1，2，3］。隶属函数表达式为［3］：

在线自整定模糊控制隶属函数应采用三角形隶属函数和菱形隶属函数，当误差较大时选取较为宽胖的菱形函数作为隶属函数，其余部分采用三角形隶属函数。隶属度函数曲线如图2所示［4］。

图2 隶属函数曲线

3 控制系统的性能仿真测试

本次仿真选取系统模型参数k＝2.0、τ＝20.0、T＝100.0，实验污泥消化温度设定为35℃，模糊PID控制参数kp＝10.0、ki＝0.05、kd＝2.0。新入污泥温度随季节控制在10～30℃之间，期望污泥消化池温度控制为（35±1）℃。性能仿真测试结果比较如图3所示。

由仿真结果可知，污泥消化池温度模糊PID控制系统有效提高了污泥消化温度的稳定性。

图3 性能仿真测试结果比较

4 结语

将模糊控制和常规PID控制结合提高了污泥消化池温度控制的稳定性和精确度，为污泥厌氧消化提供了良好的温度环境，大大提高了污泥厌氧消化的效率。

［1］张毅，王伟，唐秋萍，等.污泥中温厌氧消化的实验研究［J］.环境卫生工程，2011（1）：43～45

［2］杨咏梅，陈宁.基于MATLAB的模糊自整定PID参数控制器的设计与仿真［J］.微计算机信息，2005（24）：61～63

［3］姜丹，任有志，丁辉，等.PVC胶槽温度模糊PID控制系统［J］.化工自动化及仪表，2012（6）：707～710

［4］丁炜，齐冬莲.基于和利时系统的水合塔进料温度的模糊PID控制［J］.自动化与仪器仪表，2011（1）：91～93

［5］杨益兴，崔大连，周爱军.模糊自适应PID控制器及Simulink仿真实现［J］.舰船电子工程，2010（4）：127～130